コーニング社が光ファイバーケーブル用の超高純度ガラスを製造する方法

2019年1月8日午前7時

ガラス会社はシリカをただ溶かすだけではダメです。その工程にはガラスの煤粒子と穀物サイロのようなものが必要です。

光ファイバーケーブルに使用できるほど純度の高いガラスを作るには、砂を溶かすだけでは不十分です。代わりに、ガスを炎に通してガラスの煤粒子を生成し、それを制御されたパターンで棒に堆積させます。コーニング

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7月のある暑い朝、ニューヨーク州コーニング。車のドアを開けると、駐車場の向こうに巨大な鉄とガラスでできた建物が目に入った。マサチューセッツ州全域とニューヨーク州の大部分を、2日間かけて一人で運転してきたのだ。この建物の中で、誰かが光ファイバーケーブルの作り方の魔法を説明してくれるのではないかと期待していた。

私にとって、コーニングという名前は、蓋の縁に原始的な渦巻き模様が手描きされた、重厚で欠けのある白い調理器具を意味していた。しかし、今私が見ていた建物では、コーニングは数十年にわたってハイテクガラスを研究してきたが、多くの場合、明確な商業的応用は見込まれていなかった。それは、今日多くの企業が手の届かない種類の純粋科学である。iPhone の超薄型で傷に強いガラスは、コーニングの科学者によって開発された。そして、この会社はスマートフォンのガラスだけを製造しているのではない。私の目の前にある 9 階建てのガラス張りの建物は、コーニングの光ファイバーの長期研究の本拠地だった。コーニングは、かつては村、次に小さな集落、そして今は町であり、人口は約 11,000 人の小さな町で、19 世紀にガラス製造産業を中心に発展した。前の日の午後、町の歴史的なダウンタウン地区を散策すると、レストラン、ショップ、アートギャラリーを見つけた。活気がありそうな、居心地の良い数ブロックです。

でもまずはコーヒー。

1999年から同社に勤務し、現在は2つの部門の技術活動を指揮している、明るくエネルギッシュなブラジル人物理学者クラウディオ・マッツァーリ氏が研究棟のロビーで私に会い、スクリーンや機器が並ぶ広い部屋に案内してくれた。

その日、私はマッツァリ博士と何時間も過ごしました。彼の皮肉なユーモアのセンスと、どこか間抜けな笑顔に心を奪われました。彼は最初、コーニング社のブラジル支社で光通信のスペシャリストとして働き、約15年前にニューヨーク州北部に転勤していました。彼が自分の仕事を愛していることは明らかでした。彼は、製造業として常に変革を続け、毎年売上高の約10%を研究開発に投資する企業のために、巨大な中央研究所（現代のベル研究所）の運営を支えています。

マッツァリは湯気の立つコーヒーを持ってきてくれた。私がコーヒーを飲みながら、彼は力強くこう言った。「ガラスというと、『砂を買って、それを溶かしてガラスを作る』と言う人もいるだろう。もちろん、光ファイバーのガラスはそれよりずっと高度な技術だ。全く違うんだ。」

光ファイバーケーブルは、ほとんど理解不能なほど精密に製造されています。光は、増幅や増幅なしに、そして光にエンコードされた情報を一切失うことなく、数十マイルもの距離を伝送できるよう、極めて純粋で透明でなければなりません。この透明度を実現するために、製造業者は製造工程の1ミクロン単位、1秒単位までを徹底的に管理しています。

光ファイバーの歴史は、レーザーの発明とともに1960年代に遡ります。レーザーは数十億個の原子にエネルギーを与え、電子を励起して光子を放出させます。そして、その光子は反転し、既に励起されている原子からさらに多くの光子を放出させます。

光子の一部が放出されると、増幅され集中した光線、つまり「誘導放出による光増幅」、つまりレーザーが発生します。この光は周波数を持ち、1秒間に数百万回もの速度で揺らめいています。そして、この揺らめき一つ一つを変調させることで、データを運ぶことができます。そして、そのデータは光速で伝わります。

問題は、その焦点を絞ったデータをA地点からB地点へ確実に伝送する方法でした。光は水を介して運ぶことができます。例えば、下から紫色の光で照らされた夜の噴水を想像してみてください。しかし、光は水中で情報を遠くまで運ぶことはできません。光波の高さや周波数に符号化された情報が理解されるためには、光波の強度と鮮明度を維持する必要があります。19世紀後半、「ロス博士とロイス教授」とだけ名乗るウィーンの医療チームは、手術中に体の一部を照らすために、曲げたガラス棒を通して光を導く実験を行いました。レーザーの登場により、科学者たちは精度をほとんど損なうことなく、何マイルも離れた場所から情報を導く可能性を見出しました。

ここで「光ファイバー」の登場です。1964年、英国ハーロウで博士課程に在籍していたチャールズ・カオ（現サー・カオ）という研究者は、手術室の照明に使われていたガラス管の後継世代のガラスを使って、レーザー光線の様々な「色」、つまり周波数を誘導できるのではないかと仮説を立てました。しかしカオは、この誘導を大きな損失なく行うには、当時入手可能なものよりもはるかに純度の高いガラスが必要だと指摘しました。彼の研究はあくまで理論的なものでした。

カオの研究は、コーニング社が光ファイバーのアイデアに興味を持つきっかけとなりました。1965年当時、コーニング社はガラス事業には携わっていましたが、通信事業には携わっていませんでした。通信会社は、都市間や家庭間で音声通話やデータを伝送するための電気パルスを銅線で伝送していました。潜在的に巨大な新規顧客グループとなる可能性のある通信会社にとって、銅線をガラスファイバーに置き換えるメリットを生み出すには、コーニング社はファイバーがデータ伝送においてはるかに優れていることを示す必要がありました。しかし当時、信号が途切れる前に約15センチメートル以上光を伝送できるガラス繊維は存在しませんでした。コーニング社は、信号を数センチメートルではなく、数マイルも伝送できるガラスの製造方法を解明する必要がありました。

当時、コーニング・グラス・ワークスの研究責任者だったウィリアム・アーミステッドは懐疑的でした。それでも、彼は物理学者のロバート・マウラー、そして同僚の上級化学者のピート・シュルツ、そしてエンジニア兼物理学者のドナルド・ケックに資金提供を承認し、この課題に取り組みました。そして彼らは、顧客を全く見ていない状態でも、この課題に取り組みました。マウラーと彼のチームは、ガラスには透明なコアと、それを囲むクラッドと呼ばれるガラス製の皮膜が必要だと知っていました。クラッドがレーザー光をコアに反射させ、その経路に沿って進み続けるためです。4年間、彼とコーニングのチームは、コアの化学組成を変えながら、可能な限り最高の透明度を実現するための実験を続けました。しかし、失敗が続きました。

1970年8月のある金曜日の夕方、ドナルド・ケックはコーニング社の研究開発ラボに一人でいて、週末を前に最後の一本のファイバーをテストしていました。アイラ・マガジンナーとマーク・パティンキンは共著『沈黙の戦争』の中で、ケックが顕微鏡にかがみ込み、レーザーの焦点を合わせながら、細い光線がどんどんコアに近づいていく様子を見守っていた時のことを語っています。突然、明るい光線がケックの目に当たりました。ファイバーは、ビームの強度をほんの少ししか失うことなく、光を伝送していたのです。「ユーレカ」とケックはその日、ラボのノートに書き記しました。コーニング社が光ファイバーの顧客を見つけるまでには、さらに10年かかりました。

コーニング社をはじめとする企業が現在販売している髪の毛ほどの極細光ファイバーの注目すべき点は、1本のガラス繊維で同時に多数の異なる光線を伝送できることです。それぞれの光線は独自の周波数で揺らぎ、独自の情報符号化方式を用いています。これが光ファイバーの大きな利点です。光ファイバーの総合的な帯域幅のポテンシャル（伝送可能な信号の数と、それらを符号化または変調する速度）は、他のどの伝送媒体よりもはるかに高いのです。道路の深い穴や、車が通行しようとしているのにトラックが道路を塞ぐなど、伝送媒体自体が何らかの障害を起こさない限り、1本の光ファイバーケーブルでインターネット上の全データを伝送することが可能です。

左側に人間の髪の毛、その右側に光ファイバーの短い部分があるイメージレンダリング...

素晴らしいアイデアです。銅線（銅線を互いに撚り合わせた構造のため、「ツイストペア」と呼ばれることもあります）は、アメリカの田舎の多くの家庭や農場にデータや電話信号を伝送しています。しかし、伝送媒体としての銅の特性上、銅線上を伝わる信号は光信号のような広い周波数帯域を持たず、他の信号からの干渉を受けやすく、一般的に短距離を超えると急速に劣化します。そのため、銅線DSL（デジタル加入者線）に加入している場合、ダウンロード信号を自宅に取り込むには、電話会社の「電話局」に非常に近い場所に設置する必要があります。DSL接続の住宅は、光ファイバーケーブルではなく銅線に接続されています。光ファイバーを使えば、光は数百マイルも減衰することなく伝送できるだけでなく（銅線では不可能）、光ファイバーを駆け巡る信号は近くの他の電気通信による干渉も受けません（銅線ではよくあることです）。また、光ファイバーは、一度設置すれば、銅線よりも維持費がはるかに安くなります。

マッツァリ氏の説明によると、ガラス製造の伝統的な方法、例えば溶融シリカを吹き、プレス加工するといった方法では、気泡だらけの欠陥品しか生まれず、マウラー氏のチームが求めるものを実現できないという。「純度と透明性が求められるため、砂などを原料にして溶かしてガラスを作ることはできません」と彼は述べた。

代わりに、炎の中を移動するガスを利用して煤の粒子、つまりガラスの煤粒子を作り出し、それを制御されたパターンで棒の上に堆積させます。そして彼は、白い棒の上でゆっくりと機械的に上下に動かされている小さな青い炎の列を見せてくれました。これが繊維の糸を作る始まりでした。つまり、固体の棒の上に、綿密に調整された層状に煤を印刷するのです。髪の毛ほどの細いガラスの糸（各糸は数千層で構成されています）の各層の構成は、炎の中を移動するガスの組成を微調整することで制御されます。

何千層もの層を一つ一つ丁寧に重ね、全体を精密に制御された速度で正確な温度まで加熱すると、冷却時に非常に特殊な特性を持つガラスが出来上がります。「こうやって光を制御するんです」とマッツァリ氏は言いました。「繊維の様々な特性を操ることで、光を内部に閉じ込めることができるんです」。彼は興奮して微笑んでいました。私は煤の粒子を作るために炎に吹き込むガスの種類、つまりそのレシピを尋ねましたが、彼は何も教えてくれませんでした。「ゲルマニウムを少し、あれを少し、これも少し」

マッツァリは、マウラーとケックがコーニングで開発したロッド印刷プロセスのデモ版を見せてくれた。彼によると、実際のプロセスは数時間かかるそうだ。彼は私をずんぐりとした短い白いチューブに案内し、触らせた。私がこれまで見てきた煤の印刷は、結局これを作り出すのだ。白いチョークのような物質が指についた。「申し訳ありません」とマッツァリは言った。「あれはガラスの粒子なんです。シリカだけではありません。それぞれの層に異なる物質を、異なる量でドーピングすることで、光の反射率を変えているんです」

ブランクと呼ばれるこの白い管には、最終製品の特性のほとんどが既に備わっている。ガラスが光を処理するあらゆる方法が既に組み込まれているのだ。「これを作ると、ファイバーの分散、減衰、形状など、あらゆることが正確にわかる」とマッツァリ氏は述べた。企業がブランクを引っ張って数千キロメートルにも及ぶ細いガラス繊維に加工する際（太い毛糸の束から非常に長い繊維を一本引き抜くことを想像してほしい）、彼らがやっていることは、分厚いブランクを薄くすることだけだ。

マッツァリは仕事に熱中し始めた。「さあ」と彼は言った。「このざらざらした白いものをガラスに変えなければならない」。太い管は私にはガラスには見えなかった。「それでは次のステップ、固化に移りましょう」

固化工程では、白亜質の厚い素材を巨大な炉に入れます。熱によって素材から水分がすべて抜け、素材は固まり始めます。つまり「焼結」です。この焼結工程によって、素材は「プリフォーム」と呼ばれる透明で小さな物体へと変化します。

マッツァリは、地元のスーパーで売っている特大サラミと同じくらいの大きさの、滑らかで透明なプリフォームのサンプルを私に手渡した。煤が印刷されていたセラミックの棒はなくなっていた。

「真ん中をよく見たら、違う色が見えるでしょう？」とマッザリは私に尋ねた。じっと見つめると、無の中に何かが見える、とても細く薄い帯が見えた。「そこが核です」とマッザリは言った。「そこに光があるはずです」

マウラーのチームは、ガラスに光を最も効率的に透過させる方法は、やや逆説的ではあるが、コアの純度をクラッドよりも低くすることで、クラッドが鏡のような役割を果たし、光をコア内に閉じ込めるという方法だと結論づけた。そこで、煤の層構造を微調整することで、コアに化学物質を混ぜ込むことで、この効果を実現した。「コアに光を当てると、光は反射し続けるのです」とマッツァリは言う。

光ファイバーケーブルのコアとクラッドの詳細を示すレンダリング画像。テキストのコアとクラッドは…

すべてが魔法のようで、さらに素晴らしいことが起ころうとしていました。あの滑らかなプリフォームは、ドロータワー（巨大な倉庫の天井近くに支柱で支えられた穀物サイロを想像してみてください）に投入され、溶解されます。溶解後、タワーの底から突き出ていた塊から、一本の素線が地面に向かってまっすぐに引き抜かれます。それが髪の毛ほどの細さの素線、つまり一本の光ファイバーケーブルなのです。

溶融・延伸工程は、他の工程と同様に厳密に管理されています。まず、プリフォームの先端が加熱され、高温のガラス塊が下降します。落下したガラス塊は取り除かれ、その後ろにある細い糸が装置に通されます。この装置は、延伸速度（ストランドが地面に向かって引き出される速度）と、結果として得られるファイバーの直径を細かく制御します。1ミクロン単位の精度まで記録されます。

ガラスは数秒以内に、しかし正確なタイミングで急速に冷却されます。一方、ドロータワー内では、ガラスを保護するために、異なるプラスチックを複数層重ねたコーティングが施され、紫外線で硬化されます。

これらすべてを支える秘密は、吸引のタイミングと温度を正確に制御することにあります。これが、通信者が求める純粋な透明性と低い信号損失を実現するのです。「ガラスに急激な変化を加えると、材料はもはや均質ではなくなります」とマッツァリ氏は言います。化学物質が凝集し、ガラスに丹念に組み込まれた構造が失われてしまうからです。密度のわずかな変化でも、光の散乱を引き起こします。そして、散乱は損失を意味します。

マッツァリはプロトタイプデモルームの外にある広い白い廊下に私を案内し、エレベーターで研究開発ラボの上階へ向かった。エレベーターに乗りながら、彼はこれから何が起こるのか教えてくれた。「安全メガネが必要です」。エレベーターを降りてメガネをかけ、片側が欠けた大きな鉄の箱を見上げた。「空白の次に何が来るんですか？」とマッツァリは私に尋ねた。

数分前に彼が言った言葉を必死に思い出そうとした。「まず太いものを作って、それから水分と不純物を全部取り除いて細くするんだ」と私は勇敢に答えた。マッツァリは透明なガラス管を指差した。管の芯が見える状態だ。「ガラス管ができたら、次は何をするんだい？」彼は先生役を楽しんでいた。「まず線を引いて、球状のものを作って、その次に細いものを作るんだ」と私は少し早口で言った。

彼は再び上を指差した。「あそこにゴブが落ちていくのが見えますか？」巨大な透明なガラス管の端から、白く輝く大きな塊がぶら下がっていた。彼によると、この管一本で数千キロメートルのガラス繊維が生産されるという。彼は微笑んだが、それ以上詳しくは言わなかった。「ここが最上階です」と彼は言った。「これから数階下へ降りていきます」

私たちは階段を駆け下り、私はガタガタと音を立てながらマッツァリの後を追った。彼は私たちがいた階のすぐ下の階のドアを開け、前方を指差して「繊維が見えますか？」と尋ねた。「いいえ」と私は答えた。「よく見てください」と彼は言った。するとそこに、信じられないほど細い繊維が天井の大きな穴から床へと降りていた。「さあ、最後の工程を見てください。糸巻き機に巻き取るんです」と彼は言った。

私たちはガタガタと階段を下りて地下室へ入った。マットという名の、落ち着いた背の高い男性が、光ファイバーの芯線がスプールに巻き取られるゲージをじっと見つめていた。彼は欠陥がないか探していた。「光ファイバーの直径は125ミクロン、プラスマイナス1ミクロン以下だということを覚えておいてください」とマッツァリは言った。「このガラスの直径を、1000キロメートル以上に渡る長さにわたって、1メートルごとに、張力、温度、速度など、あらゆる装置を使って制御しなければなりません」。そうすることで、光ファイバーケーブルの芯線同士を接合するスプライス（接続）を行う際に、光ファイバーが完璧に伝送できるのだ。

「この時点で既に冷えています」とマッツァリ氏は述べた。「コーティングは施されており、光ファイバーに触れることができ、スプールに巻き付けられます。その後は箱に入れてお客様に発送できます。ケーブルに組み込む以外に、必要な作業はありません。」光ファイバーの芯線はケーブル内に束ねられ、576芯のケーブルには24本の色のついた「バッファー」チューブが入り、各チューブには24本の光ファイバー芯線がそれぞれ収納される。

光ファイバーの周囲に硬化されたプラスチック層であるコーティングは、光ファイバーの曲がりを防ぐものではありません。コーティングは一種の非常に薄いクッションのような役割を果たし、ケーブル内の個々の光ファイバーが互いに干渉するのを防ぎます。（最近のコーニング社の光ファイバーは、建物内の狭い角やロッドに巻き付けた場合でも、信号強度を損なわずに容易に曲げられるようになっています。）数ヶ月後、コーニングから何百マイルも南に離れた場所で、私はそのコーティングが丁寧に剥がされ、むき出しのガラス繊維が別の光ファイバーに正確に接合されるのを目にすることになりました。

光ファイバーこそが、交通、エネルギー、医療、製造、教育、職業訓練、障害者アクセス、拡張現実／仮想現実、政府サービス、そして公共の安全といった分野におけるイノベーションと生産性の飛躍的な成長を促進し、私たちの生活水準をこれまでと同様に向上させ続けることができる唯一の手段です。より良い生活、未来の世代が私たちよりも良い暮らしをするという感覚。この希望は、単なる経済的な利益ではなく、幸福、他者への寛容、そして困難に立ち向かう力にとって不可欠な要件です。この問題で進歩を遂げてきた国々、すなわち韓国、日本、香港、シンガポール、中国、スウェーデンは、まさにこの未来に向かって前進しています。私たちも光ファイバーを必要としており、そして多くの点で同じ理由から、自由民主主義を必要としています。それは、すべてのアメリカ人が自らの人生を形作る機会を得られるためです。それは、豊かな生活のための基本的なインフラなのです。

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